[论文解读] A Universal Phase Diagram for PMN-xPT and PZN-xPT

P. M. Gehring, W. Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2003

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用 47

一句话总结

本文提出了一种适用于PMN-xPT和PZN-xPT弛豫体的通用相图，用具有平均立方结构的新相X取代了传统上公认的菱方相。对单晶PMN-10%PT进行的高分辨率中子衍射实验表明，在50 K以下未观测到菱方相分裂，表明长程菱方序缺失；相反，数据支持整体相变进入相X，通过表面层效应和极性纳米区（PNR）位移，调和了以往X射线与中子衍射结果之间的矛盾。

ABSTRACT

The phase diagram of the Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 and PbTiO3 solid solution (PMN-xPT) indicates a rhombohedral ground state for x < 0.32. X-ray powder measurements by Dkhil et al. show a rhombohedrally split (222) Bragg peak for PMN-10%PT at 80 K. Remarkably, neutron data taken on a single crystal of the same compound with comparable q-resolution reveal a single resolution-limited (111) peak down to 50 K, and thus no rhombohedral distortion. Our results suggest that the structure of the outer layer of these relaxors differs from that of the bulk, which is nearly cubic, as observed in PZN by Xu et al.

研究动机与目标

• 解决X射线与中子衍射数据在PMN-10%PT低温相上的矛盾。
• 研究X射线研究中观察到的菱方相是否为体相性质或表面效应。
• 确定PMN-xPT和PZN-xPT等弛豫体的相变是菱方相变还是涉及新立方相X。
• 调和关于弛豫钙钛矿中铁电序与软模行为的相互矛盾的报告。

提出的方法

• 利用美国国家标准与技术研究院中子研究中心的BT9三轴谱仪进行高分辨率中子衍射。
• 采用非标准配置，使用Ge (220)完美单晶分析器，实现0.0018 rlu FWHM的q分辨率。
• 在单晶PMN-10%PT中测量从295 K至50 K的(111)布拉格峰，以探测菱方相分裂。
• 采用窄束光路（10′-46′-S-20′-40′）和低中子能量（8.5 meV）以最大化q分辨率。
• 将结果与Dkhil等人在PZN-8%PT和PZN上的X射线数据，以及Ohwada等人在PZN-8%PT和PZN上的中子数据进行比较。
• 在100 K下对漫散射数据进行拟合，采用两个洛伦兹峰（菱方相）与一个高斯峰（相X）的组合，以建模表面与体相贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 PMN-10%PT在低温下是否表现出体相菱方畸变，如X射线数据所暗示？
• RQ2 为何对同一化合物的X射线与中子衍射实验在菱方序问题上得出相互矛盾的结果？
• RQ3 X射线数据中观察到的菱方相分裂是否源于表面效应而非体相相变？
• RQ4 PZN-xPT与PMN-xPT体系是否经历向新立方相X的转变，而非菱方相？
• RQ5 极性纳米区（PNRs）的均匀位移δ在稳定相X中起何作用？

主要发现

• 在PMN-10%PT中，即使在高q分辨率（0.0018 rlu FWHM）下，从50 K至295 K均未观测到(111)布拉格峰的菱方相分裂，表明不存在长程菱方序。
• 低温下(111)峰保持近乎分辨率极限，与Dkhil等人在立方相中(222)处观测到的宽度一致。
• 100 K时的漫散射显示不对称展宽，与表面层呈现菱方畸变而体相保持立方结构的模型一致。
• 数据支持一种模型：晶体外层具有菱方结构，而体相则转变为新立方相X，从而调和了X射线与中子衍射结果。
• 结果表明，PMN-xPT与PZN-xPT均未经历体相菱方相变；相反，它们形成相X，这是一种由极性纳米区（PNRs）的均匀位移δ稳定的新相。
• 极性纳米区（PNRs）的均匀位移δ，结合其较大尺寸（~30–50 ų），被认为可通过抑制向铁电相的熔化，稳定相X。